2023屆高考物理二輪復習板塊一專題突破復習專題六物理實驗第一講力學實驗學案

第一講力學實驗[知識建構(gòu)][高考調(diào)研]1.考查方向：高考對本專講的學生實驗的考查，主要有以下7個實驗：①研究勻變速直線運動．②探究彈力和彈簧伸長的關(guān)系．③驗證力的平行四邊形定那么．④驗證牛頓運動定律．⑤探究動能定理．⑥驗證機械能守恒定律．⑦驗證動量守恒定律．2.常用的思想方法：①等效法．②控制變量法．③逐差法．④圖象法．[答案](1)逐差法、平均值法、圖象法．(2)(3)刻度尺、游標卡尺、螺旋測微器．(4)秒表、打點計時器、光電計時系統(tǒng)．(5)彈簧測力計、力傳感器．考向一根本儀器的使用[歸納提煉]1．毫米刻度尺的讀數(shù)精確到毫米，估讀一位．2．游標卡尺和螺旋測微器的讀數(shù)(1)游標卡尺的讀數(shù)方法：d＝主尺讀數(shù)(mm)＋精度×游標尺上對齊刻線數(shù)值(mm)．(2)螺旋測微器的讀數(shù)方法測量值＝固定刻度＋(可動刻度＋估讀值)×0.01mm.注意要估算到0.001mm.[熟練強化]1．(1)某同學用自己創(chuàng)造的新式游標卡尺測量小鋼球的直徑，新式卡尺將主尺上39mm在游標尺上均分成20等份．如下圖，那么小鋼球的直徑為d＝________cm.(2)該同學又用螺旋測微器測量某電阻絲的直徑，示數(shù)如圖，那么該金屬絲的直徑為________mm.[解析]游標卡尺20個格總長39mm，每個格1.95mm，比主尺上兩格(2mm)少0.05mm，因此讀數(shù)方法與普通20分度卡尺一樣，讀數(shù)為1.035cm，螺旋測微器讀數(shù)注意上邊半格沒露出，還要注意估讀，根據(jù)測量值＝固定刻度＋(可動刻度＋估讀值)×0.01mm可得1.195mm.[答案](1)1.035(2)1.1952．(2023·河北名校聯(lián)盟)一種游標卡尺，它的游標尺上有50個小的等分刻度，總長度為49mm，用它測量某工件寬度，示數(shù)如圖甲所示，其讀數(shù)為________mm；圖乙中的螺旋測微器讀數(shù)為________mm.[解析]此題考查游標卡尺和螺旋測微器讀數(shù)，意在考查學生儀器的使用和讀數(shù)能力.50刻度游標卡尺的精確度為0.02mm，讀數(shù)23mm＋10×0.02mm＝23.20mm；螺旋測微器讀數(shù)1mm＋13.0×0.01mm＝1.130mm.[答案]23.201.130(±0.002均對)3．(2023·福建廈門質(zhì)檢)某同學用如圖甲所示的螺旋測微器測小球的直徑時，他應先轉(zhuǎn)動________到F靠近小球，再轉(zhuǎn)動________到F夾住小球，直至聽到棘輪發(fā)出聲音為止，撥動________使F固定后讀數(shù)(填儀器部件字母符號)．正確操作后，螺旋測微器的示數(shù)如圖乙所示，那么小球的直徑是________mm.[解析]用螺旋測微器測小球直徑時，先轉(zhuǎn)動旋鈕D使測微螺桿F靠近被測小球，再轉(zhuǎn)動微調(diào)旋鈕H使測微螺桿F夾住小球，直到棘輪發(fā)出聲音為止，撥動旋鈕G使F固定后讀數(shù)，讀數(shù)為6.5mm＋20.0×0.01mm＝6.700mm.[答案]DHG6.7001螺旋測微器讀數(shù)時應注意的問題①固定刻度上表示半毫米的刻度線是否已經(jīng)露出.②可動刻度的旋鈕要估讀，估讀到0.001mm.2游標卡尺讀數(shù)技巧①讀數(shù)時應以毫米為單位，讀出后再進行單位換算.②主尺上的讀數(shù)，應以游標尺零刻度左端主尺上的刻度為準.③20分度的游標卡尺，其讀數(shù)要精確到0.05mm，讀數(shù)的最后一位數(shù)字為“0〞或“5〞.50分度的游標卡尺，其讀數(shù)要精確到0.02mm，讀數(shù)的最后一位數(shù)字為“0〞、“2〞、“4〞、“6〞、“8〞.考向二紙帶類實驗[歸納提煉]1．一套裝置涉及?？嘉鍌€實驗：(1)研究勻變速直線運動；(2)驗證牛頓第二定律；(3)探究動能定理；(4)驗證機械能守恒；(5)測定動摩擦因數(shù)．2．紙帶的三大應用(1)由紙帶確定時間要區(qū)別打點計時器(打點周期為0.02s)打出的點與人為選取的計數(shù)點之間的區(qū)別與聯(lián)系，假設(shè)每五個點取一個計數(shù)點，那么計數(shù)點間的時間間隔Δt＝0.1s.(2)求解瞬時速度利用做勻變速運動的物體在一段時間內(nèi)的平均速度等于這一段時間中間時刻的瞬時速度求打某一點的瞬時速度．如圖甲所示，第n點時的速度vn＝eq\f(xn＋xn＋1,2T).(3)用“逐差法〞求加速度如圖乙所示，因為a1＝eq\f(x4－x1,3T2)，a2＝eq\f(x5－x2,3T2)，a3＝eq\f(x6－x3,3T2)，所以a＝eq\f(a1＋a2＋a3,3)＝eq\f(x4＋x5＋x6－x1－x2－x3,9T2).[熟練強化]角度一研究勻變速直線運動1．(2023·全國卷Ⅰ)某探究小組為了研究小車在桌面上的直線運動，用自制“滴水計時器〞計量時間．實驗前，將該計時器固定在小車旁，如圖(a)所示．實驗時，保持桌面水平，用手輕推一下小車．在小車運動過程中，滴水計時器等時間間隔地滴下小水滴，圖(b)記錄了桌面上連續(xù)的6個水滴的位置．(滴水計時器每30s內(nèi)共滴下46個小水滴)(1)由圖(b)可知，小車在桌面上是________(填“從右向左〞或“從左向右〞)運動的．(2)該小組同學根據(jù)圖(b)的數(shù)據(jù)判斷出小車做勻變速運動．小車運動到圖(b)中A點位置時的速度大小為________m/s，加速度大小為________m/s2.(結(jié)果均保存2位有效數(shù)字)[解析]此題考查研究勻變速直線運動．(1)由于小車獲得速度后在摩擦力作用下減速運動，故相鄰水滴間的距離逐漸減小，結(jié)合圖(b)可知小車向左運動．(2)由題意知，30s內(nèi)滴下46滴水，共45個時間間隔，故相鄰兩滴水的時間間隔T＝eq\f(30,45)s＝eq\f(2,3)s．由勻變速直線運動中平均速度等于中間時刻的瞬時速度可得vA＝eq\f(117＋133,2×\f(2,3))mm/s＝0.19m/s.由逐差法得小車運動的加速度為a＝eq\f(150＋133－117＋100,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2×\f(2,3)))2)mm/s2＝0.037m/s2.[答案](1)從右向左(2)0.190.037角度二研究加速度與合外力的關(guān)系2．利用力傳感器研究“加速度與合外力的關(guān)系〞的實驗裝置如下圖．(1)(多項選擇)以下關(guān)于該實驗的說法，錯誤的選項是________．A．做實驗之前必須平衡摩擦力B．小車的質(zhì)量必須比所掛鉤碼的質(zhì)量大得多C．應調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細線與木板平行D．為了實驗平安，打點計時器接直流電源(2)從實驗中挑選一條點跡清晰的紙帶，每5個點取一個計數(shù)點，用刻度尺測量計數(shù)點間的距離如下圖．打點計時器每間隔0.02s打一個點．由圖可知A、B兩點間的距離s1＝________cm；該小車的加速度a＝________m/s2(計算結(jié)果保存2位有效數(shù)字)，實驗中紙帶的________(選填“左〞或“右〞)端與小車相連接．[解析](1)為確保小車所受拉力等于小車所受合外力，必須平衡摩擦力，且使拉力與木板方向平行，A、C項正確；因為小車拉力由力傳感器直接測量，故小車質(zhì)量與鉤碼質(zhì)量無關(guān)，B項錯誤；打點計時器正常工作時必須使用交流電源，D項錯誤．(2)由刻度尺讀數(shù)規(guī)那么可知，A、B兩點間距離為7.0mm＝0.70cm；由逐差公式可知，小車的加速度a＝eq\f(Δx,T2)，計數(shù)點間隔0.1s，所以小車的加速度為0.20m/s2；小車做加速運動，所以點跡較密集的一端為與小車相連的一端．[答案](1)BD(2)0.700.20左角度三驗證機械能守恒3．(2023·天津卷)如下圖，打點計時器固定在鐵架臺上，使重物帶動紙帶從靜止開始自由下落，利用此裝置驗證機械能守恒定律．(1)(多項選擇)對于該實驗，以下操作中對減小實驗誤差有利的是________．A．重物選用質(zhì)量和密度較大的金屬錘B．兩限位孔在同一豎直面內(nèi)上下對正C．精確測量出重物的質(zhì)量D．用手托穩(wěn)重物，接通電源后，撤手釋放重物(2)(多項選擇)某實驗小組利用上述裝置將打點計時器接到50Hz的交流電源上，按正確操作得到了一條完整的紙帶，由于紙帶較長，圖中有局部未畫出，如下圖．紙帶上各點是打點計時器打出的計時點，其中O點為紙帶上打出的第一個點．重物下落高度應從紙帶上計時點間的距離直接測出，利用以下測量值能完成驗證機械能守恒定律的選項有________．A．OA、AD和EG的長度B．OC、BC和CD的長度C．BD、CF和EG的長度D．AC、BD和EG的長度[解析]此題考查“驗證機械能守恒定律〞實驗．(1)選用質(zhì)量大的金屬錘，可保證下落過程中紙帶豎直不松弛；金屬錘密度大，體積就小，下落過程中所受阻力??；上下限位孔對正，可減小摩擦；本實驗中要驗證eq\f(1,2)mv2＝mgh，即驗證v2＝2gh，不用測量重物的質(zhì)量；實驗時用手抓緊紙帶上端，接通電源，打點計時器工作穩(wěn)定后，再松手釋放紙帶，不用用手托住重物．(2)本實驗中，需要測某點的瞬時速度和從起始點到該點的距離，或者兩點的速度及其間距，符合要求的選項有B、C.[答案](1)AB(2)BC紙帶類問題是力學實驗中出現(xiàn)率最高的內(nèi)容，多以課本實驗為藍本進行升級變形，從整體角度看，力學中的四個打點描跡類實驗都存在共性，因此在某種程度上可以做到“一個裝置多種用途〞的效果.考向三“橡皮條、彈簧〞類實驗[考點歸納]1．探究彈力和彈簧伸長量的關(guān)系(1)實驗原理要測出每次懸掛重物的重力大小F和彈簧伸長的長度x，建立F－x坐標，描點作圖探究．(2)操作關(guān)鍵①實驗中不能掛過多的鉤碼，使彈簧超過彈性限度．②作圖象時，不要連成“折線〞，而應盡量讓坐標點落在直線上或均勻分布在兩側(cè)．2．驗證力的平行四邊形定那么(1)實驗原理使一個力作用效果跟兩個力共同作用效果相同．(2)操作關(guān)鍵①每次拉伸結(jié)點位置O必須保持不變；②記下每次各力的大小和方向；③畫力的圖示時應選擇適當?shù)臉硕龋甗熟練強化]角度一驗證力的平行四邊形定那么1．(2023·全國卷Ⅲ)某探究小組做“驗證力的平行四邊形定那么〞實驗，將畫有坐標軸(橫軸為x軸，縱軸為y軸，最小刻度表示1mm)的紙貼在水平桌面上，如圖(a)所示．將橡皮筋的一端Q固定在y軸上的B點(位于圖示局部之外)，另一端P位于y軸上的A點時，橡皮筋處于原長．(1)用一只測力計將橡皮筋的P端沿y軸從A點拉至坐標原點O，此時拉力F的大小可由測力計讀出．測力計的示數(shù)如圖(b)所示，F(xiàn)的大小為________N.(2)撤去(1)中的拉力，橡皮筋P端回到A點；現(xiàn)使用兩個測力計同時拉橡皮筋，再次將P端拉至O點．此時觀察到兩個拉力分別沿圖(a)中兩條虛線所示的方向，由測力計的示數(shù)讀出兩個拉力的大小分別為F1＝4.2N和F2＝5.6N.①用5mm長度的線段表示1N的力，以O(shè)為作用點，在圖(a)中畫出力F1、F2的圖示，然后按平行四邊形定那么畫出它們的合力F合；②F合的大小為________N，F(xiàn)合與拉力F的夾角的正切值為________．假設(shè)F合與拉力F的大小及方向的偏差均在實驗所允許的誤差范圍之內(nèi)，那么該實驗驗證了力的平行四邊形定那么．[解析](1)由測力計的讀數(shù)規(guī)那么可知，讀數(shù)為4.0N．(2)①利用平行四邊形定那么作圖；②由圖可知F合＝4.0N，從F合的頂點向x軸和y軸分別作垂線，頂點的橫坐標對應長度為1mm，頂點的縱坐標長度為20mm，那么可得出F合與拉力F的夾角的正切值為0.05.[答案](1)4.0(2)①F1、F2和F合如下圖②4.00.05角度二探究彈簧彈力與伸長量的關(guān)系2．某同學利用如圖甲所示的裝置探究彈簧的彈力與其伸長量的關(guān)系，在鐵架臺的頂端固定一刻度尺，另將一下端固定有指針的彈簧也固定在鐵架臺上．然后該同學進行了如下的操作：首先在彈簧的下端不掛任何重物，記錄指針在刻度尺上所指位置的刻度值，然后在彈簧的下端掛上鉤碼，并將彈簧下端所掛鉤碼的個數(shù)逐個增加，依次記錄指針在刻度尺上所指位置的刻度值，將所得的數(shù)據(jù)記錄在下表中．每個鉤碼的質(zhì)量均為m＝100g，重力加速度取g＝9.8m/s2.鉤碼個數(shù)01234567刻度值x/cm15.0018.9422.8226.7830.6634.6042.0054.50(1)由表中記錄的數(shù)據(jù)，在圖乙的坐標系中作出刻度值與彈簧下端所掛鉤碼的質(zhì)量的變化規(guī)律圖線．(2)胡克定律ΔF＝kΔx，那么由作出的圖線可確定在0到________N的范圍內(nèi)彈簧的彈力與伸長量成正比，此彈簧的勁度系數(shù)k＝________N/m.而圖線末端發(fā)生彎曲的原因為_____________．[解析](1)根據(jù)題目中所測量的數(shù)據(jù)進行描點，然后用平滑的曲線(或直線)連接各點，在連接時應讓盡量多的點落在線上(偏差比擬大的點舍去)，不在線上的點盡量平均分配在線的兩側(cè)．(2)根據(jù)所作出的圖象可以看出，當m≤5×102g＝0.5kg時，標尺刻度x與鉤碼質(zhì)量m成一次函數(shù)關(guān)系，所以在F≤4.9N范圍內(nèi)彈力大小與彈簧伸長量滿足胡克定律．由胡克定律ΔF＝kΔx可知，k＝eq\f(ΔF,Δx)＝25N/m，根據(jù)圖象可知，當彈簧的彈力大于4.9N時圖線末端發(fā)生彎曲，其原因是彈簧超出了彈性限度．[答案](1)如下圖(2)4.925彈簧超出了彈性限度角度三探究彈簧的彈性勢能3．某同學利用下述裝置對輕質(zhì)彈簧的彈性勢能進行探究：一輕質(zhì)彈簧放置在光滑水平桌面上，彈簧左端固定，右端與一小球接觸而不固連；彈簧處于原長時，小球恰好在桌面邊緣，如圖(a)所示．向左推小球，使彈簧壓縮一段距離后由靜止釋放；小球離開桌面后落到水平地面．通過測量和計算，可求得彈簧被壓縮后的彈性勢能．答復以下問題：(1)(多項選擇)本實驗中可認為，彈簧被壓縮后的彈性勢能Ep與小球拋出時的動能Ek相等．重力加速度大小為g.為求得Ek，至少需要測量以下物理量中的________(填正確答案標號)．A．小球的質(zhì)量mB．小球拋出點到落地點的水平距離sC．桌面到地面的高度hD．彈簧的壓縮量ΔxE．彈簧原長l0(2)用所選取的測量量和量表示Ek，得Ek＝________.(3)圖(b)中的直線是實驗測量得到的s－Δx圖線．從理論上可推出，如果h不變，m增加，s－Δx圖線的斜率會________(選填“增大〞“減小〞或“不變〞)；如果m不變，h增加，s－Δx圖線的斜率會________(選填“增大〞“減小〞或“不變〞)．由圖(b)中給出的直線關(guān)系和Ek的表達式可知，Ep與Δx的________次方成正比．[解析](1)(2)如下圖，小球拋出時動能Ek＝eq\f(1,2)mveq\o\al(2,0).平拋運動有s＝v0t，h＝eq\f(1,2)gt2.解三式得Ek＝eq\f(mgs2,4h)，那么需測量小球質(zhì)量m、桌面高度h及落地水平距離s.(3)由能量守恒定律得，彈簧的彈性勢能Ep＝Ek＝eq\f(mgs2,4h).①由①式知Ep∝s2，由題給直線關(guān)系知s∝Δx，那么Ep∝(Δx)2.由①式知s∝eq\r(Ep)，那么s∝2eq\r(\f(h,mg))Δx.s－Δx圖線的斜率正比于eq\r(\f(h,mg))，如果h不變，m增加，s－Δx圖線的斜率將會減?。绻鹠不變，h增加，那么s－Δx圖線的斜率會增大．[答案](1)ABC(2)eq\f(mgs2,4h)(3)減小增大2彈簧類問題數(shù)據(jù)處理方法(1)列表法：直接從表格數(shù)據(jù)中得到彈力F與伸長量x的比值是一個常數(shù)．(2)圖象法：以彈力F為縱坐標，彈簧的伸長量x為橫坐標，根據(jù)所測數(shù)據(jù)，在坐標系中描點連線，可得到一條過原點的直線．作圖象時要使盡可能多的點在一條直線上，不在直線上的點也要盡可能對稱分布在直線兩側(cè)，如果遇到個別偏差較大的點屬誤差較大或錯誤的，應舍去．如果橫坐標是彈簧的總長度，那么畫出的F－x關(guān)系圖象不過原點，但是F－x圖象中傾斜直線的斜率都等于彈簧的勁度系數(shù)．(3)函數(shù)法：在誤差允許范圍內(nèi)，可寫出彈力與彈簧伸長量的函數(shù)關(guān)系式F＝kx.實際解題中常與圖象法配合使用，以得到函數(shù)式或比照實際關(guān)系式以計算物理量等．高考題型預測——力學創(chuàng)新實驗[考點歸納]創(chuàng)新設(shè)計實驗通?？煞譃閮深悾旱谝活悶橥ㄟ^實驗和實驗數(shù)據(jù)的分析得出物理規(guī)律；第二類為給出實驗規(guī)律，讓你選擇實驗儀器，設(shè)計實驗步驟，并進行數(shù)據(jù)處理．第一類必須在實驗數(shù)據(jù)上下工夫，根據(jù)數(shù)據(jù)特點，掌握物理量間的關(guān)系，得出實驗規(guī)律；第二類必須從規(guī)律入手，正確選擇測量的物理量，根據(jù)問題聯(lián)想相關(guān)的實驗模型，確定實驗原理，選擇儀器設(shè)計實驗步驟、記錄實驗數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理．[典題例如](2023·河北名校聯(lián)盟)某實驗小組利用彈簧秤和刻度尺，測量滑塊在木板上運動的最大速度．實驗步驟：①用彈簧秤測量橡皮泥和滑塊的總重力，記作G；②將裝有橡皮泥的滑塊放在水平木板上，通過水平細繩和固定彈簧秤相連，如圖甲所示．在A端向右拉動木板，待彈簧秤示數(shù)穩(wěn)定后，將讀數(shù)記作F；③改變滑塊上橡皮泥的質(zhì)量，重復步驟①②；實驗數(shù)據(jù)如下表所示：G/N1.502.002.503.003.504.00F/N0.590.830.991.221.371.61④如圖乙所示，將木板固定在水平桌面上，滑塊置于木板上左端C處，細繩跨過定滑輪分別與滑塊和重物P連接，保持滑塊靜止，測量重物P離地面的高度h；⑤滑塊由靜止釋放后開始運動并最終停在木板上的D點(未與滑輪碰撞)，測量C、D間的距離s.完成以下作圖和填空：(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)在給定坐標紙上作出F—G圖線．(2)由圖線求得滑塊和木板間的動摩擦因數(shù)μ＝________(保存2位有效數(shù)字)．(3)滑塊最大速度的大小v＝________(用h、s、μ和重力加速度g表示)．[審題指導]第一步讀題干—提信息題干信息1)向右拉動木板說明滑塊與板之間是滑動摩擦力2)彈簧秤示數(shù)穩(wěn)定后說明滑塊靜止，處于平衡狀態(tài)3)最終停在木板上的D點說明滑塊末速度為0第二步審程序—順思路[解析](1)如下圖(2)因彈簧秤示數(shù)穩(wěn)定后滑塊靜止，由題意知此時滑動摩擦力f＝F，又因滑塊與板間壓力N＝G，故由f＝μN得F＝μG，即F－G圖線的斜率即為μ，由圖線可得μ＝k＝0.40.(3)設(shè)最大速度為v，從P下降h高度到滑塊運動到D點的過程中由動能定理得0－eq\f(1,2)mv2＝－μmg·(s－h(huán))，故有v＝eq\r(2μgs－h(huán)).[答案](1)見解析(2)0.40(0.38、0.39、0.41、0.42均正確)(3)eq\r(2μgs－h(huán))靈活選取研究對象及解題過程是解題關(guān)鍵.此題P重力未知，但著地后可單獨研究滑塊，除動能定理外也可用運動學公式解題.[預測題組](2023·懷化市一模)某研究小組設(shè)計了一種“用一把尺子測定動摩擦因數(shù)〞的實驗方案．如以下圖所示，A是可固定于水平